(57)【要約】【課題】排気ガス浄化触媒の使用量を減らすことができ、過渡応答性の低下を防止でき、機器レイアウト上の制約を少なくでき、排気エネルギーを効率的に利用できる内燃機関の過給及び排気浄化システムを提供する。【解決手段】本発明の内燃機関の過給及び排気浄化システムは、電動機３ｍでコンプレッサ３ｃを回転駆動して空気を圧縮し圧縮空気を内燃機関７に供給する電動コンプレッサ３と、内燃機関７からの排気ガスで駆動されるタービン２ｔで発電機２ｇを駆動して発電するタービン発電機２と、タービン発電機２で発生させた電気を蓄電し電動コンプレッサ３に電気を供給する蓄電手段１２と、内燃機関７とタービン２ｔとの間の排気流路（エンジン排気流路８ａ）に配置された排気ガス浄化触媒１０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機でコンプレッサを回転駆動して空気を圧縮し、圧縮空気を内燃機関に供給する電動コンプレッサと、
前記内燃機関からの排気ガスで駆動されるタービンで発電機を駆動して発電するタービン発電機と、
前記タービン発電機で発生させた電気を蓄電し、前記電動コンプレッサに電気を供給する蓄電手段と、
前記内燃機関と前記タービンとの間の排気流路に配置された排気ガス浄化触媒と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給及び排気浄化システム。
【請求項２】
前記排気ガス浄化触媒よりも下流側の排気流路から前記内燃機関の吸気流路に前記排気ガスを循環させる排気ガス再循環装置を備える、請求項１記載の内燃機関の過給及び排気浄化システム。
【請求項３】
前記内燃機関が搭載される車両は走行駆動用モータを備えたハイブリッドシステムの車両であり、
前記蓄電手段は前記走行駆動用駆動モータに電力を供給する、請求項１又は２記載の内燃機関の過給及び排気浄化システム。
【請求項４】
前記コンプレッサの下流側の吸気流路から圧縮空気の一部を抽気して前記排気ガス浄化触媒の上流側の前記排気流路に導入するバイパス装置を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の過給及び排気浄化システム。
【請求項５】
前記排気ガス浄化触媒の暖機時に電力回生するように前記発電機を制御する制御手段を備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関の過給及び排気浄化システム。
【請求項６】
前記タービンの回転数を検出する回転センサ又は前記排気流路の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記制御手段は、前記回転センサ又は前記圧力センサの出力に基づいて前記発電機を制御する、請求項５記載の内燃機関の過給及び排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に圧縮空気を供給し内燃機関からの排気ガスを浄化する内燃機関の過給及び排気浄化システムに関し、特に、排気ガス浄化触媒を早期に活性化できる内燃機関の過給及び排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関を用いた自動車等には、排気ガスを浄化する三元触媒等の触媒が設置されている。かかる排気ガス浄化触媒は、温度が上昇することによって還元能力が活性化して作用するものであるため、その温度管理が重要となる。しかしながら、エンジン始動直後は排気ガスの温度が低いため、排気ガス浄化触媒を活性化させるまでに一定の時間（暖機時間）を要する。かかる問題を解決するために、排気ガス浄化触媒をヒーターで加熱する方法やエンジン始動直後のアイドル回転数を高めに設定する方法等が採用されている。
【０００３】
また、内燃機関には、出力増大のために過給機（ターボチャージャ）を設置したものがある。かかる過給機は、排気ガスのエネルギーをタービンで回収し、回転軸を介してタービンと同軸に連結されたコンプレッサを作動させ、圧縮空気をエンジンに供給して出力増大を図る装置である。過給機付内燃機関の場合、排気ガス浄化装置は過給機の下流側に配置されるのが一般的である（例えば、特許文献１を参照）。その結果、過給機付内燃機関では、過給機の排気エネルギーの回収と過給機自身の熱容量の関係で、排気ガス浄化触媒に供給される熱量が減少し、過給機のない内燃機関よりも暖機時間が長くなる傾向にある。かかる問題に対し、排気ガス浄化触媒の使用量を多くすることで活性化のマージンを大きく取り、暖機時間を短縮する方法もあるが、排気ガス浄化触媒の使用量が多くなることでコストが増大するという問題がある。
【０００４】
他方、近年、排気ガス浄化触媒を過給機よりも上流側の排気流路に配置する「ターボ前触媒デザイン」の研究が行われている（例えば、下記非特許文献１を参照）。かかるターボ前触媒デザインによれば、過給機のタービンによって熱エネルギーが消費される前の排気ガスを排気ガス浄化触媒に供給するため、過給機の下流側に排気ガス浄化触媒を配置した場合よりも、多くの熱エネルギーを排気ガス浄化触媒に供給することができ、排気ガス浄化触媒の早期活性化が可能となる。しかし、過給機の上流側の排気流路に排気ガス浄化触媒を配置した場合、排気ガス浄化触媒での排気ガスエネルギーの消費によりその下流側にある過給機のタービンへの排気ガスのエネルギーが減少するため、過渡応答（加速）性が低下するという問題がある。
【０００５】
また、従来の過給機は、タービンとコンプレッサを回転軸で連結する構造上、内燃機関の吸気系と排気系を過給機の部分で近づけて配置する必要があり、機器レイアウト上の制約が大きく、例えばクラッシャブルゾーン（衝突時に潰れて衝撃を吸収し、人や荷物・機械を保護するための空間）の確保等が難しくなる。
【０００６】
さらに、従来の過給機は、圧縮空気の供給過剰とならないように、タービンで回収したエネルギーの大部分をコンプレッサの回転と僅かな軸受損失で消費するように設計されている。このため、排気エネルギーから回収したエネルギーのうち空気の圧縮に利用されるのはごく一部であり、全負荷領域で排気エネルギーを捨てていることになり、排気エネルギーの効率的な利用ができていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２８６０９３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「ディーゼルエンジンの性能、排出ガスおよび燃費に及ぼすターボ前触媒デザインの影響」、ＳＡＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、２００８−０１−００７１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、排気ガス浄化触媒の使用量を減らすことができ、過渡応答性の低下を防止でき、機器レイアウト上の制約を少なくでき、排気エネルギーを効率的に利用できる内燃機関の過給及び排気浄化システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の問題を解決するため、本発明の内燃機関の過給及び排気浄化システムは、以下の技術的手段を採用する。
（１）すなわち、本発明の内燃機関の過給及び排気浄化システムは、電動機でコンプレッサを回転駆動して空気を圧縮し、圧縮空気を内燃機関に供給する電動コンプレッサと、前記内燃機関からの排気ガスで駆動されるタービンで発電機を駆動して発電するタービン発電機と、前記タービン発電機で発生させた電気を蓄電し、前記電動コンプレッサに電気を供給する蓄電手段と、前記内燃機関と前記タービンとの間の排気流路に配置された排気ガス浄化触媒と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記の本発明によれば、排気ガス浄化触媒が過給機のタービンよりも上流側に配置されているので、タービンによる熱エネルギー損失が生じていない排気ガスが排気ガス浄化触媒に供給される。したがって、排気ガス浄化触媒を早期に活性化できるので、暖機時間を短縮することができる。また、活性化のマージンを大きく取るために排気ガス浄化触媒の量を多くしておく必要がないため、排気ガス浄化触媒の使用量を減らすことができ、コストダウンを図ることができる。
本発明の構成では、過給機のタービンの上流側に排気ガス浄化触媒が配置されているため、タービンに導入される排気ガスのエネルギーの減少によってタービンの駆動力が低下する。しかし、本発明では、コンプレッサはタービンと分離しており、電動機によってコンプレッサを駆動するようになっており、電動機の回転数を制御することにより必要な量の圧縮空気を供給できるので、従来技術のような過渡応答（加速）性の低下の問題は生じない。
さらに、タービンに入力された排気エネルギーを発電機により回生電力として回収し、この電力を蓄電手段に貯めて車内電源系統等に用いることにより、車両の燃費向上を図ることができるとともに、貯めた電気の一部を電動コンプレッサの動力として用いることができる。したがって、排気エネルギーを効率よく回収し利用することができる。
また、本発明では、タービンとコンプレッサを分離したので、機器レイアウト上の制約が少なく、クラッシャブルゾーンの確保等が容易となる。
【００１２】
（２）また、上記の過給及び排気浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化触媒よりも下流側の排気流路から前記内燃機関の吸気流路に前記排気ガスを循環させる排気ガス再循環装置を備える。
【００１３】
上記の構成によれば、排気ガス浄化触媒を通過した排気ガスは酸素濃度が低下しており、この酸素濃度の低い排気ガスが内燃機関の吸気流路に循環される。したがって、内燃機関への供給する酸素濃度を低下させることにより、排気ガス再循環による窒素酸化物の低減や部分負荷時の燃費向上の効果をより高めることができる。
【００１４】
（３）また、上記の過給及び排気浄化システムにおいて、前記内燃機関が搭載される車両は走行駆動用モータを備えたハイブリッドシステムの車両であり、前記蓄電手段は前記走行駆動用駆動モータに電力を供給する。
【００１５】
上記の構成によれば、タービンに入力された排気エネルギーを発電機により回生電力として回収し、この電力を蓄電手段に貯めて、走行駆動用モータと車両に搭載されたその他の装置・機器類とに用いることにより、車両の燃費向上を図ることができる。ハイブリッドシステムでない構成の場合、車両における装置・機器類で消費する電力以上の電力を発電機で回生しても、他に用途がない。これに対し、ハイブリッドシステムに適用した場合、発電機で発電するほど走行駆動用の電力として使用することができるので、排気エネルギーから回収した電力を極めて効率的に利用することが可能となり、燃費向上やエンジンの小型化に寄与できる。
【００１６】
（４）また、上記の過給及び排気浄化システムにおいて、前記コンプレッサの下流側の吸気流路から圧縮空気の一部を抽気して前記排気ガス浄化触媒の上流側の前記排気流路に導入するバイパス装置を備える。
【００１７】
上記の構成によれば、圧縮空気の一部が内燃機関をバイパスして排気ガス浄化触媒の上流側に２次空気として供給される。したがって、内燃機関の始動時（触媒の暖機時）あるいは触媒活性化温度到達後において、排気ガス浄化触媒への酸素供給量を増大させて排気ガス浄化触媒の触媒反応を促進させることができる。
また、内燃機関の始動時においては、出力増大のために燃料リッチな空燃比となるように制御されるため、排気ガスに含まれる未燃分の燃料を燃焼させることで排気ガスの熱量を増大させ、これにより排気ガス浄化触媒を早期に活性化できる。
【００１８】
（５）また、上記の過給及び排気浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化触媒の暖機時に電力回生するように前記発電機を制御する制御手段を備える。
【００１９】
上記の構成によれば、エンジン始動時等のように排気ガス浄化触媒の暖機が必要な場合に、発電機において電力回生（発電）するように制御すると、タービンに対して回転数を低下させる方向のトルク（逆トルク）が負荷されることになる。このため、内燃機関から排出された排気ガスは流れにくくなり、内燃機関からタービンまでの排気流路内で排気ガスの温度を上昇させることができる。したがって、高温の排気ガスを排気ガス浄化触媒に供給することができ、排気ガス浄化触媒を早期に活性化でき、暖機時間をより短縮することができる。
【００２０】
（６）また、上記の過給及び排気浄化システムにおいて、前記タービンの回転数を検出する回転センサ又は前記排気流路の圧力を検出する圧力センサを備え、前記制御手段は、前記回転センサ又は前記圧力センサの出力に基づいて前記発電機を制御する。
【００２１】
上記の構成において、回転センサを採用する場合、回転センサによりタービンの回転数を検出し、制御手段により、発電機の回転数が所望の範囲に抑制されるように発電機を制御することで、排気流路内で排気ガスの温度を効果的に上昇させるのに好ましい範囲になるように、タービン回転数をコントロールできる。
また、上記の構成において、圧力センサを採用する場合、圧力センサによりタービンの上流側の排気流路の圧力を検出し、制御手段により、排気ガスの圧力が、タービンとコンプレッサが連結された従来の過給機のアイドル回転数よりも高い所望の範囲となるように発電機を制御することで、排気流路内で排気ガスの温度を効果的に上昇させることができる。あるいは、圧力センサによりタービンの下流側の排気流路の圧力を検出し、制御手段により、排気ガスの圧力が、タービンとコンプレッサが連結された従来の過給機のアイドル回転数よりも高い低い所望の範囲となるように発電機を制御することで、排気流路内で排気ガスの温度を効果的に上昇させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の内燃機関の過給及び排気浄化システムによれば、排気ガス浄化触媒の使用量を減らすことができ、過渡応答性の低下を防止でき、機器レイアウト上の制約を少なくでき、排気エネルギーを効率的に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の内燃機関の過給及び排気浄化システムの第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示した第１実施形態の変形例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の内燃機関の過給及び排気浄化システムの第２実施形態を示す概略構成図である。
【図４】本発明の内燃機関の過給及び排気浄化システムの第３実施形態を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２５】
図１は、本発明の内燃機関の過給及び排気浄化システムの第１実施形態を示す概略構成図である。図１において、内燃機関の過給及び排気浄化システムは、内燃機関７（エンジン）に圧縮空気を供給して内燃機関７の出力増大を図るとともに、内燃機関７から出た排気ガスを浄化するシステムであり、過給機１と蓄電手段１２と排気ガス浄化触媒１０とを備える。
【００２６】
内燃機関７は、例えば、自動車等に搭載されたディーゼルエンジンやガソリンエンジンである。内燃機関７は、運転状況に応じて圧縮空気や燃料の供給量が制御される。かかる制御は、車載された電子制御ユニット（ＥＣＵ）により行われる。内燃機関７の制御は、空燃比（空気質量／燃料質量）によって制御される。
【００２７】
例えば、通常運転時には、排気ガス浄化触媒１０を効果的に作用させるために、理論空燃比（空気中の酸素と燃料が過不足なく反応する状態）に近い空燃比となるように制御される。また、燃費の向上と排気ガス中の有害物質の低減を図るために、理論空燃比よりも低い空燃比（経済空燃比）となるように制御されることもある。また、内燃機関７の始動時には出力の増大を図るために、燃料リッチな空燃比となるように制御される。なお、この電子制御ユニット（ＥＣＵ）は、本発明のシステムにおける制御手段１１としての役割も担っている。
【００２８】
過給機１は、電動機３ｍでコンプレッサ３ｃを回転駆動して空気を圧縮し圧縮空気を内燃機関７に供給する電動コンプレッサ３と、内燃機関７からの排気ガスで駆動されるタービン２ｔで発電機２ｇを駆動して発電するタービン発電機２とを備える。電動コンプレッサ３とタービン発電機２は、それぞれ制御手段１１に電気的に接続されており、制御手段１１によって個別に制御できるようになっている。
【００２９】
電動コンプレッサ３は、吸気を圧縮して圧縮空気を排出するコンプレッサ３ｃと、コンプレッサ３ｃを回転駆動する電動機３ｍとを有する。コンプレッサ３ｃは、内燃機関７に空気を供給するための吸気流路９上に配置されている。吸気流路９は、コンプレッサ３ｃの入口側に接続され外部の空気を吸気するコンプレッサ吸気流路９ａと、コンプレッサ３ｃの出口側に接続され圧縮空気を内燃機関７に供給するエンジン吸気流路９ｂとからなる。エンジン吸気流路９ｂには、圧縮空気を冷却するインタークーラが配置されていてもよい。
【００３０】
電動機３ｍは、蓄電手段１２及び制御手段１１と電気的に接続されており、蓄電手段１２から電力供給を受け、制御手段１１の制御によって任意の回転数で回転が可能であるように構成されている。電動機３ｍは、直流電動機、交流電動機のいずれでもよい。なお、電動機３ｍとして交流電動機を採用する場合、電動機３ｍと蓄電手段１２の間に、蓄電手段１２からの直流電流を交流電流に変調するインバータが配置される。
【００３１】
タービン発電機２は、内燃機関７からの排気ガスで駆動されるタービン２ｔと、タービン２ｔに連結された発電機２ｇとを備える。タービン２ｔは、内燃機関７から排出された排気ガスを外部まで送気するための排気流路８上に配置されている。排気流路は、タービン２ｔの入口側に接続され内燃機関７の排気ガスを送気するエンジン排気流路８ａと、タービン２ｔの出口側に接続され外部に排気ガスを放出するタービン排気流路８ｂとからなる。
【００３２】
発電機２ｇは、タービン２ｔにより駆動されて電力回生ができるように構成されている。また発電機２ｇは、蓄電手段１２及び制御手段と電気的に接続されており、制御手段により電力回生（発電）するように制御され、発電機２ｇで発生した電気は蓄電手段１２に貯められるようになっている。発電機２ｇは、直流発電機、交流発電機のいずれでもよいが、回転数制御ができるもの（例えば同期発電機など）が好ましい。
【００３３】
蓄電手段１２は、車内用電源系統も兼ねており、車両に搭載された装置・機器類２５（ランプ類、空調、その他所定の機能を発揮するために電力を要するもの）に電力を供給するように構成されている。
【００３４】
また過給機１は、タービン２ｔの回転数を検出する回転センサ１５を有している。回転センサ１５は制御手段１１と電気的に接続されており、回転センサ１５の出力が制御手段１１に送信されるようになっている。
【００３５】
排気ガス浄化触媒１０は、内燃機関７とタービン２ｔとの間の排気流路（エンジン排気流路８ａ）上に配置されている。排気ガス浄化触媒１０は、例えば、三元触媒である。三元触媒は、排気ガス中に含まれる有害物質（主に炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物）を除去する触媒であるが、本発明に使用される排気ガス浄化触媒１０は、三元触媒に限定されるものではない。
【００３６】
排気ガス浄化触媒１０には、活性化したか否かの判定に必要なデータを取得するための検出器１４が設置されている。検出器１４は、例えば、温度計や酸素濃度検出器であり、制御手段１１に電気的に接続され、検出器１４の出力が制御手段１１に送信されるようになっている。
検出器１４が温度計である場合、制御手段１１は、温度計で検出した温度が、排気ガス浄化触媒１０が活性化する温度（三元触媒の場合には２００℃〜３００℃）に達したら排気ガス浄化触媒１０が活性化したと判断する。
検出器１４が酸素濃度検出器である場合、制御手段１１は、酸素濃度検出器で検出した酸素濃度が、排気ガス浄化触媒１０が機能している濃度範囲であるときに排気ガス浄化触媒１０が活性化したと判断する。この場合、酸素濃度検出器は排気ガス浄化触媒１０の直後に配置するのが好ましい。また、二酸化炭素等の酸素以外のガス濃度を検出するようにしてもよい。
【００３７】
制御手段１１は、具体的には、上述した電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。制御手段１１は、内燃機関７を始動させるイグニッションキー６と電気的に接続されており、内燃機関７が始動されたことを検知できるように構成されている。また、制御手段１１は、内燃機関７の燃料供給手段と電気的に接続されており、内燃機関７が所望の空燃比となるように内燃機関７に燃料を供給できるように構成されている。
【００３８】
制御手段１１は、電動機３ｍの駆動・停止・回転数制御等を行うことができるように構成されている。また、制御手段１１は、発電機２ｇによる電力回生の開始・停止の制御ができ、発電機２ｇが回転数制御に対応したものである場合は、回転数の制御も可能であるように構成されている。
【００３９】
また、図１に示した本発明のシステムの第１実施形態は、さらに、排気ガス浄化触媒１０よりも下流側の排気流路８から内燃機関７の吸気流路９に排気ガスを循環させる排気ガス再循環装置１６（ＥＧＲ）を備えている。排気ガス再循環装置１６によって、内燃機関７へ供給する空気に排気ガスを混ぜて吸気の酸素濃度を低下させることで、排気ガス中の窒素酸化物の低減や部分負荷時の燃費向上に効果がある。
【００４０】
排気ガス再循環装置１６は、排気ガス浄化触媒１０よりも下流側の排気流路８と吸気流路９とを接続するＥＧＲ流路１７と、ＥＧＲ流路１７に配置されたＥＧＲバルブ１８とを有する。
ＥＧＲ流路１７は、排気流路８からの分岐位置が排気ガス浄化触媒１０よりも下流側であり、分岐位置の圧力よりも低い圧力の位置において吸気流路９と接続していれば、排気ガスを吸気流路９に循環させることが可能である。したがって、図示例では、ＥＧＲ流路１７は、排気ガス浄化触媒１０よりも下流側のエンジン排気流路８ａとエンジン吸気流路９ｂとを接続するように配置されているが、このような配置に代えて、排気ガス浄化触媒１０よりも下流側のエンジン排気流路８ａとコンプレッサ吸気流路９ａとを接続するように配置されてもよい。あるいは、ＥＧＲ流路１７は、タービン排気流路８ｂとコンプレッサ吸気流路９ａとを接続するように配置されてもよい。
ＥＧＲバルブ１８は、制御手段１１と電気的に接続されており、任意のタイミングでＥＧＲバルブ１８を開閉できるように構成されている。
【００４１】
上述した本発明に係る内燃機関の過給及び排気浄化システムの第１実施形態によれば、排気ガス浄化触媒１０が過給機のタービン２ｔよりも上流側に配置されているので、タービン２ｔによる熱エネルギー損失が生じていない排気ガスが排気ガス浄化触媒１０に導入される。したがって、排気ガス浄化触媒１０を早期に活性化できるので、暖機時間を短縮することができる。また、活性化のマージンを大きく取るために排気ガス浄化触媒１０の量を多くしておく必要がないため、排気ガス浄化触媒１０の使用量を減らすことができ、コストダウンを図ることができる。
【００４２】
本発明の構成では、過給機のタービン２ｔの上流側に排気ガス浄化触媒１０が配置されているため、タービン２ｔに導入される排気ガスのエネルギーの減少によってタービン２ｔの駆動力が低下する。しかし、本発明では、コンプレッサ３ｃはタービン２ｔと分離しており、電動機３ｍによってコンプレッサ３ｃを駆動するようになっており、電動機３ｍの回転数を制御することにより必要な量の圧縮空気を供給できるので、従来技術のような過渡応答（加速）性の低下の問題は生じない。また、本発明では、タービン２ｔとコンプレッサ３ｃを分離したので、機器レイアウト上の制約が少なく、クラッシャブルゾーンの確保等が容易となる。
【００４３】
さらに、タービン２ｔに入力された排気エネルギーを発電機２ｇにより回生電力として回収し、この電力を蓄電手段１２に貯め、車載された装置・機器類２５に用いることにより、車両の燃費向上を図ることができるとともに、貯めた電気の一部を電動コンプレッサ３の動力として用いることができる。したがって、排気エネルギーを効率よく回収し利用することができる。なお、発電機２ｇにより電力回生を行う時期は、蓄電手段１２の蓄電容量の範囲内で蓄電手段１２が蓄電できる限り、内燃機関の運転中の全期間であってもよい。
【００４４】
また、本発明のシステムの第１実施形態によれば、排気ガス浄化触媒１０よりも下流側の排気流路８と吸気流路９を接続するように排気ガス再循環装置１６が配置されているので、排気ガス浄化触媒１０を通過した排気ガスは、排気ガス浄化触媒１０に入る前よりも酸素濃度が低下する。そして、この酸素濃度の低い排気ガスが内燃機関７の吸気流路９に循環される。したがって、内燃機関７へ供給する酸素濃度を低下させることにより、排気ガス再循環による窒素酸化物の低減や部分負荷時の燃費向上の効果をより高めることができる。
【００４５】
上述した第１実施形態において、制御手段１１により、排気ガス浄化触媒１０の暖機時に電力回生するように発電機２ｇを制御してもよい。この場合、上述したように制御手段１１は、検出器１４（温度計や酸素濃度検出器）の出力に基づいて排気ガス浄化触媒１０が活性化しているか否かを判断でき、エンジン始動直後では排気ガス浄化触媒１０が活性化していないことを検知できる。したがって、制御手段１１は、排気ガス浄化触媒１０の暖機が必要と判断し、発電機２ｇが電力回生するように制御する。
【００４６】
エンジン始動時等のように排気ガス浄化触媒１０の暖機が必要な場合に、発電機２ｇにおいて電力回生（発電）するように制御すると、タービン２ｔに対して回転数を低下させる方向のトルク（逆トルク）が負荷されることになる。このため、内燃機関７から排出された排気ガスは流れにくくなり、内燃機関７からタービン２ｔまでのエンジン排気流路８ａ内で排気ガスの温度を上昇させることができる。したがって、高温の排気ガスを排気ガス浄化触媒１０に供給することができ、排気ガス浄化触媒１０を早期に活性化でき、暖機時間をより短縮することができる。
【００４７】
図１に示した構成例では、過給機１にはタービン２ｔの回転数を検出する回転センサ１５が設置されている。したがって、回転センサ１５によりタービン２ｔの回転数を検出し、制御手段１１により、発電機２ｇの回転数が所望の範囲に抑制されるように発電機２ｇを制御することで、排気流路内で排気ガスの温度を効果的に上昇させるのに好ましい範囲になるように、タービン回転数をコントロールできる。
【００４８】
排気ガス浄化触媒１０の暖機時において発電機２ｇの回転数を制御する場合、回転数は従来のアイドリング回転数の例えば１／３〜２／３程度（１万〜３万回程度）に設定される。このように、発電機２ｇで電力回生することでタービン２ｔに逆トルクを負荷し、タービン２ｔを排気ガスの抵抗となるように制御することで、内燃機関７から排出された排気ガスエンジン排気流路８ａ内で滞留させながら徐々にタービン２ｔの下流のタービン排気流路８ｂに送気することができ、エンジン排気流路８ａ内で排気ガスの温度を効果的に上昇させることができる。
【００４９】
ここで、図２は、図１に示した第１実施形態の変形例を示す概略構成図であり、（Ａ）は第１変形例、（Ｂ）は第２変形例を示している。図１に示した第１実施形態では、タービン２ｔの回転数の制御によって、タービン２ｔに負荷する逆トルク量を制御する場合を説明したが、排気流路８の圧力を検知することによってタービン２ｔに負荷する逆トルク量を制御するようにしてもよい。
【００５０】
図２（Ａ）に示す第１変形例において、エンジン排気流路８ａには、タービン２ｔの入口側の圧力を検出する圧力センサ２０が配置されている。圧力センサ２０は制御手段１１と電気的に接続されており、制御手段１１は圧力センサ２０の出力に基づいて発電機２ｇを制御する。圧力センサ２０は、内燃機関７の出口側（内燃機関７と排気ガス浄化触媒１０との間）の圧力を検出するように配置されてもよい。この第１変形例では、制御手段１１により、排気ガスの圧力が、タービンとコンプレッサが連結された従来の過給機のアイドル回転数よりも高い（例えば１０〜３０％程度増の）所望の範囲の圧力となるように発電機２ｇを制御することで、排気流路内で排気ガスの温度を効果的に上昇させことができる。第１変形例のその他の構成は、図１に示した構成と同じである。
【００５１】
図２（Ｂ）に示す第２変形例において、タービン排気流路８ｂには、タービン２ｔｔの出口側の圧力を検出する圧力センサ２０が配置されている。圧力センサ２０は制御手段１１と電気的に接続されており、制御手段１１は圧力センサ２０の出力に基づいて発電機２ｇを制御する。この第２変形例では、制御手段１１により、排気ガスの圧力が、タービンとコンプレッサが連結された従来の過給機のアイドル回転数よりも低い（例えば１０〜３０％程度減の）所望の範囲の圧力となるように発電機２ｇを制御することで、排気流路内で排気ガスの温度を効果的に上昇させることができる。第２変形例のその他の構成は、図１に示した構成と同じである。
【００５２】
図３は、本発明の内燃機関７の過給及び排気浄化システムの第２実施形態を示す概略構成図である。第２実施形態は、動力源として内燃機関７と走行駆動用モータ２７を有し状況に応じて単独または両方の動力源で走行するハイブリッドシステムの車両に対して適用した形態である。このため、第２実施形態の過給及び排気浄化システムは、第１実施形態に対して走行駆動用モータ２７を付加した構成を有する。
【００５３】
ここで、ハイブリッドシステムには、エンジンを発電のみに使用しモータを走行駆動と電力回生のみに使用するシリーズ（直列方式）、エンジンとモータを走行駆動に使用するパラレル方式（並列方式）、パラレル方式にバッテリー充電用の発電機を備えたスプリット方式（分割方式）があるが、本発明の第２実施形態はいずれの方式にも適用可能である。
【００５４】
走行駆動用モータ２７は、蓄電手段１２と電気的に接続されており、蓄電手段１２から電力供給を受けて車両走行用の駆動力を発生させる。また、走行駆動用モータ２７は、制御手段１１と電気的に接続されており、制御手段１１により駆動が制御される。制御手段１１は、状況に応じて走行駆動用モータ２７の駆動・停止・回転数制御ができるように構成されている。
【００５５】
上述した本発明のシステムの第２実施形態によれば、タービン２ｔに入力された排気エネルギーを発電機２ｇにより回生電力として回収し、この電力を蓄電手段１２に貯めて、走行駆動用モータ２７と車両に搭載されたその他の装置・機器類２５とに用いることにより、車両の燃費向上を図ることができる。ハイブリッドシステムでない構成（第１実施形態）の場合、装置・機器類２５で消費する電力以上の電力を発電機２ｇで回生しても、他に用途がない。これに対し、第２実施形態のようにハイブリッドシステムに適用した場合、発電機２ｇで発電するほど走行駆動用の電力として使用することができるので、排気エネルギーから回収した電力を極めて効率的に利用することが可能となり、燃費向上やエンジンの小型化に寄与できる。
【００５６】
図４は、本発明の内燃機関の過給及び排気浄化システムの第３実施形態を示す概略構成図である。図４に示す第３実施形態は、図１に示した第１実施形態の構成に対して、コンプレッサ３ｃの下流側の吸気流路９から圧縮空気の一部を抽気して排気ガス浄化触媒１０の上流側の排気流路（内燃機関７と排気ガス浄化触媒１０の間）に導入するバイパス装置２２を付加したものである。
【００５７】
バイパス装置２２は、エンジン吸気流路９ｂと排気ガス浄化触媒１０の上流側のエンジン排気流路８ａとを接続するバイパス流路２３と、バイパス流路２３に配置されパイパス流路を流れる圧縮空気の流量を調節する流量調整バルブ２４とを有する。流量調整バルブ２４は制御手段１１と電気的に接続されており、制御手段１１により流量調整バルブ２４の開閉及び開度を制御できるように構成されている。
【００５８】
上述した本発明のシステムの第３実施形態によれば、圧縮空気の一部が内燃機関７をバイパスして排気ガス浄化触媒１０の上流側に２次空気として供給される。したがって、内燃機関７の始動時（触媒の暖機時）あるいは触媒活性化温度到達後において、排気ガス浄化触媒１０への酸素供給量を増大させて排気ガス浄化触媒１０の触媒反応を促進させることができる。
また、内燃機関７の始動時においては、出力増大のために燃料リッチな空燃比となるように制御されるため、排気ガスに含まれる未燃分の燃料を燃焼させることで排気ガスの熱量を増大させ、これにより排気ガス浄化触媒１０を早期に活性化できる。
【００５９】
圧縮空気の一部を排気ガス浄化触媒１０の上流側にバイパスさせる際の流量調整バルブ２４の開度は、排気ガス浄化触媒１０において排気ガスの浄化に必要な量の酸素が十分に確保され、かつ、排気ガス浄化触媒１０を通過した排気ガス中の酸素濃度が高くなり過ぎないように制御されるのがよい。吸気流路９に循環されるＥＧＲガス中の酸素濃度が高すぎると、排気ガス再循環の効果が弱まるからである。
【００６０】
この場合、図４に示すように、排気ガス浄化触媒１０を通過した排気ガス中の酸素濃度を検出するために、排気ガス浄化触媒１０の下流側のエンジン排気流路８ａに酸素濃度センサ２５を配置し、酸素濃度センサ２５と制御手段１１を電気的に接続し、制御手段１１により酸素濃度センサ２５の出力（酸素濃度）が所定値以下となるように流量調整バルブ２４を制御するのがよい。
【００６１】
図４に示すように、バイパス流路２３のエンジン吸気流路９ｂからの分岐位置は、エンジン吸気流路９ｂとＥＧＲ流路１７との合流点よりも上流側であるのがよい。こうすることにより、エンジン吸気流路９ｂから抽気した圧縮空気にはＥＧＲガスが混ざっていないため、抽気した圧縮空気において、ＥＧＲガスが混ざることによる酸素濃度の低下を防止することができ、コンプレッサ３ｃの出口における酸素濃度を保ったままの圧縮空気を排気ガス浄化触媒１０の上流側に供給することができる。
【００６２】
本発明のシステムの第３実施形態のその他の構成及び効果は、上述した第１実施形態と同様である。
【００６３】
図４に示した第３実施形態は、第１実施形態の構成に対してバイパス装置２２を付加した構成であるが、当該構成に代えて、第２実施形態の構成（図３：ハイブリッドシステムに適用した構成）に対して上記のバイパス装置２２を付加した構成としてもよい。なお、第２実施形態（図３）の構成に対してバイパス装置２２を付加する構成の場合においても、図４の構成と同様に、バイパス流路２３のエンジン吸気流路９ｂからの分岐位置は、エンジン吸気流路９ｂとＥＧＲ流路１７との合流点よりも上流側であるのがよい。
【００６４】
上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００６５】
１  過給機
２  タービン発電機
２ｇ  発電機
２ｔ  タービン
３  電動コンプレッサ
３ｃ  コンプレッサ
３ｍ  電動機
５  電動機
６  イグニッションキー
７  内燃機関（エンジン）
８  排気流路
８ａ  エンジン排気流路
８ｂ  タービン排気流路
９ａ  コンプレッサ吸気流路
９ｂ  エンジン吸気流路
１０  排気ガス浄化触媒
１１  制御手段
１２  蓄電手段
１４  検出器
１５  回転センサ
１６  排気ガス再循環装置
１７  ＥＧＲ流路
１８  ＥＧＲバルブ
２０  圧力センサ
２２  バイパス装置
２３  パイパス流路
２４  流量調整バルブ
２５  酸素濃度センサ
２６  装置・機器類
２７  走行駆動用モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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